فولاذ 3Cr13: نظرة عامة على الخصائص والتطبيقات الرئيسية

الفولاذ 3Cr13، الذي يُصنف غالبًا فولاذ مقاوم للصدأ مارتنزيت، هو سبيكة عالي الكربون معروفة بصلابتها ومقاومتها للاهتراء الممتازة. يتكون أساسًا من الكروم (Cr) والكربون (C)، مع تركيبة نموذجية تشمل حوالي 13% كروم و0.3% إلى 0.5% كربون. عادةً ما يُستخدم هذا الدرجة من الفولاذ في التطبيقات التي تتطلب مقاومة جيدة للتآكل وقوة عالية، مما يجعله مناسبًا لمختلف القطاعات الهندسية والتصنيعية.

نظرة شاملة

يتم تصنيف الفولاذ 3Cr13 كفولاذ مقاوم للصدأ مارتنزيت، والذي يتميز بقدرته على التصلب من خلال المعالجة الحرارية. العناصر الأساسية المضافة في 3Cr13 هي الكروم والكربون، والتي تؤثر بشكل كبير على خصائصه الميكانيكية ومقاومته للتآكل. وجود الكروم يعزز مقاومة الفولاذ للأكسدة والتآكل، بينما يساهم الكربون في صلابته وقوته.

الخصائص الرئيسية:
- صلابة عالية: يمكن أن يصل 3Cr13 إلى مستويات عالية من الصلابة، مما يجعله مناسبًا لأدوات القطع وتطبيقات مقاومة الاهتراء.
- مقاومة جيدة للتآكل: توفر نسبة الكروم مقاومة معقولة للصدأ والتآكل، على الرغم من أنها ليست مقاومة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أوستنيتي.
- مقاومة متوسطة للصدمات: بينما يظهر قوة جيدة، فإن مقاومته للصدمات أقل مقارنةً بدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأخرى، مما يمكن أن يكون قيدًا في تطبيقات معينة.

المزايا:
- مقاومة ممتازة للاهتراء بسبب الصلابة العالية.
- سهولة في المعالجة عند معالجته حراريًا بشكل صحيح.
- تكلفة منخفضة نسبيًا مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ عالي السبائك.

القيود:
- مقاومة أقل للصدمات مقارنةً بالدرجات الأوستنيتية، مما يجعله عرضة للتشقق تحت التأثير.
- مقاومة محدودة للتآكل في البيئات شديدة التآكل.

تاريخيًا، تم استخدام 3Cr13 في تطبيقات متعددة، بما في ذلك أدوات المطبخ، والأدوات الجراحية، ومكونات صناعية، بسبب توازنها بين الصلابة ومقاومة التآكل.

أسماء بديلة، معايير، ومرادفات

الهيئة المعايير	التسمية/الدرجة	الدولة/المنطقة الأصلية	ملاحظات
UNS	S42000	الولايات المتحدة	أقرب مرادف لـ 3Cr13
AISI/SAE	420	الولايات المتحدة	اختلافات طفيفة في التركيب
ASTM	A276	الولايات المتحدة	مواصفة لمقاطع الفولاذ المقاوم للصدأ
EN	1.4021	أوروبا	تسمية مكافئة في أوروبا
DIN	X20Cr13	ألمانيا	خصائص مشابهة، تُستخدم في تطبيقات مشابهة
JIS	SUS420J2	اليابان	محتوى كربوني مختلف قليلاً
GB	3Cr13	الصين	مرادف مباشر في الصين
ISO	420	دولي	تسمية شائعة

يمكن أن تؤثر الاختلافات بين الدرجات المكافئة على الأداء، خاصةً من حيث الصلابة ومقاومة التآكل. على سبيل المثال، بينما يتشابه كل من 3Cr13 وAISI 420، يمكن أن تؤدي عمليات المعالجة الحرارية المحددة إلى تباين في الصلابة ومقاومة الصدمات.

الخصائص الرئيسية

التركيب الكيميائي

العنصر (الرمز والاسم)	نسبة النطاق (%)
C (كربون)	0.3 - 0.5
Cr (كروم)	12.0 - 14.0
Mn (منغنيز)	1.0 كحد أقصى
Si (سيليكون)	1.0 كحد أقصى
P (فوسفور)	0.04 كحد أقصى
S (كبريت)	0.03 كحد أقصى

تلعب العناصر الرئيسية المضافة في الفولاذ 3Cr13 أدوارًا حيوية في تحديد خصائصه:
- الكروم (Cr): يعزز مقاومة التآكل ويساهم في تكوين هيكل صلب مارتنزيت عند التبريد.
- الكربون (C): يزيد من الصلابة والقوة من خلال تكوين الكربيدات أثناء المعالجة الحرارية.
- المنغنيز (Mn): يحسن من قابلية التصلب ويساعد في إزالة الأكسدة من الفولاذ أثناء الإنتاج.
- السيليكون (Si): يعمل كعامل إزالة أكسدة ويحسن القوة عند درجات حرارة مرتفعة.

الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الحالة/الدرجة	القيمة النموذجية/النطاق (وحدات متري - وحدات SI)	القيمة النموذجية/النطاق (وحدات إمبراطورية)	المعيار المرجعي لطريقة الاختبار
قوة الشد	مبرد ومعالج حرارياً	600 - 800 ميغاباسكال	87 - 116 كيلو باوند لكل بوصة مربعة	ASTM E8
قوة العائد (0.2% انزلاق)	مبرد ومعالج حرارياً	400 - 600 ميغاباسكال	58 - 87 كيلو باوند لكل بوصة مربعة	ASTM E8
التمدد	مبرد ومعالج حرارياً	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
الصلابة (HRC)	مبرد ومعالج حرارياً	50 - 55 HRC	50 - 55 HRC	ASTM E18
قوة الصدمة	درجة حرارة الغرفة	30 - 50 جول	22 - 37 قدم-باوند	ASTM E23

تجعل الخصائص الميكانيكية للفولاذ 3Cr13 مناسبة للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومقاومة للاهتراء. تشير قوة الشد وقوة العائد إلى قدرته على تحمل الأحمال الكبيرة، بينما تجعل صلابته مثالية لتطبيقات القطع ومقاومة الاهتراء. ومع ذلك، فإن نسبة التمدد المنخفضة نسبيًا تشير إلى أنه قد لا يؤدي بشكل جيد تحت ظروف تتطلب تشوهًا كبيرًا.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	الحالة/درجة الحرارة	القيمة (وحدات متري - وحدات SI)	القيمة (وحدات إمبراطورية)
الكثافة	درجة حرارة الغرفة	7.7 غرام/سم³	0.278 رطل/إنش³
نقطة الانصهار/النطاق	-	1400 - 1450 °C	2552 - 2642 °F
الموصلية الحرارية	درجة حرارة الغرفة	25 وات/م·ك	14.5 BTU·إنش/(ساعة·قدم²·°F)
السعة الحرارية النوعية	درجة حرارة الغرفة	500 جول/كغ·ك	0.12 BTU/رطل·°F
المقاومة الكهربائية	درجة حرارة الغرفة	0.7 ميكروأوم·م	0.7 ميكروأوم·إنش

تشير الخصائص الفيزيائية للفولاذ 3Cr13، مثل كثافته ونقطة انصهاره، إلى متانته وملاءمته للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. الموصلية الحرارية متوسطة، مما يجعله مفيدًا في التطبيقات التي تتطلب تبديد الحرارة ولكنها ليست حرجة. تشير السعة الحرارية النوعية إلى أنه يمكنه امتصاص كمية معقولة من الحرارة دون تغييرات كبيرة في درجة الحرارة، وهو ما يفيد في التطبيقات الحرارية.

مقاومة التآكل

العامل المسبب للتآكل	التركيز (%)	درجة الحرارة (°C/°F)	تصنيف المقاومة	ملاحظات
الكلوريد	3 - 10	20 - 60 / 68 - 140	عادل	عرضة للثقوب
حمض الكبريتيك	10 - 20	20 - 40 / 68 - 104	ضعيف	غير موصى به
حمض الأسيتيك	5 - 10	20 - 60 / 68 - 140	جيد	مقاومة متوسطة
الجو	-	-	جيد	يؤدي بشكل جيد في المناخات المعتدلة

يظهر الفولاذ 3Cr13 مقاومة متوسطة للتآكل، خاصةً في الظروف الجوية والأحماض المخففة. ومع ذلك، فهو عرضة للتآكل الثقوب في بيئات الكلوريد، مما يمكن أن يكون مصدر قلق كبير في التطبيقات البحرية. مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مثل 304 أو 316، فإن مقاومة التآكل لـ 3Cr13 محدودة، مما يجعله أقل ملاءمة للبيئات شديدة التآكل.

بالمقارنة مع درجات أخرى:
- الفولاذ المقاوم للصدأ 304: يوفر مقاومة تآكل متفوقة، خاصةً في بيئات الكلوريد، مما يجعله مفضلًا للاستخدام في التطبيقات البحرية.
- الفولاذ المقاوم للصدأ 420: مماثل في التركيب ولكنه قد يكون لديه خصائص ميكانيكية مختلفة قليلاً اعتمادًا على المعالجة الحرارية، غالبًا ما يُختار للتطبيقات التي تتطلب صلابة أعلى.

مقاومة الحرارة

الخاصية/الحد	درجة الحرارة (°C)	درجة الحرارة (°F)	ملاحظات
أقصى درجة حرارة خدمة مستمرة	400	752	مناسب للاستخدام المتقطع
أقصى درجة حرارة خدمة متقطعة	500	932	مقاومة أكسدة محدودة
درجة حرارة القشور	600	1112	خطر تكوين القشور بعد هذه الدرجة

عند درجات الحرارة المرتفعة، يحافظ الفولاذ 3Cr13 على قوته ولكنه قد يتعرض للأكسدة، خاصةً فوق 500 °C (932 °F). أداؤه في التطبيقات عالية الحرارة محدود، ويجب اتخاذ الاحتياطات لتجنب التعرض المطول لدرجات حرارة تتجاوز حدود الخدمة القصوى له.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

عملية اللحام	المعدن المضاف الموصى به (تصنيف AWS)	الغاز/الفلكس المعتاد للحماية	ملاحظات
TIG	ER420	أرجون	مستحسن التسخين المسبق
MIG	ER420	خلط أرجون + CO2	قد يكون مطلوبًا المعالجة الحرارية بعد اللحام
Stick	E420	-	غير موصى به للأقسام السميكة

يمكن لحام الفولاذ 3Cr13، ولكن يتطلب الأمر عناية خاصة لتجنب التشقق. يساعد التسخين المسبق قبل اللحام والمعالجة الحرارية بعد اللحام في التخفيف من هذه المشكلات. يعد اختيار المعدن المضاف أمرًا حيويًا لضمان التوافق والحفاظ على الخصائص المطلوبة للحام.

قابلية التشغيل

معامل التشغيل	[فولاذ 3Cr13]	[AISI 1212]	ملاحظات/نصائح
مؤشر قابلية التشغيل النسبية	60	100	يتطلب أدوات حادة وسوائل تبريد
سرعة القطع النموذجية (التدوير)	30 م/دقيقة	60 م/دقيقة	يجب ضبطها بناءً على الأدوات

للفولاذ 3Cr13 قابلية تشغيل معتدلة. يُنصح باستخدام أدوات قطع حادة وطرق تبريد مناسبة لمنع ارتفاع درجة الحرارة والتآكل. يشير مؤشر قابلية التشغيل النسبي إلى أنه أقل قابلية للتشغيل مقارنةً بالفولاذات الحرة التشغيل مثل AISI 1212.

قابلية التشكيل

يظهر الفولاذ 3Cr13 قابلية تشكيل محدودة بسبب صلابته العالية. التشكيل البارد يمثل تحديًا، ويُوصى بالتشكيل الساخن لتحقيق الأشكال المرغوبة دون التشقق. يمكن أن يجعل تأثير العمل المتصلب المزيد من التشوه صعبًا، مما يتطلب تخطيطًا دقيقًا خلال التصنيع.

المعالجة الحرارية

عملية المعالجة	نطاق درجة الحرارة (°C/°F)	وقت النقع النموذجي	طريقة التبريد	الغرض الأساسي / النتيجة المتوقعة
التلدين	800 - 900 / 1472 - 1652	1 - 2 ساعة	هواء	تقليل الصلابة، تحسين اللدونة
التبريد	1000 - 1100 / 1832 - 2012	30 دقيقة	زيت أو ماء	زيادة الصلابة
التقسية	200 - 600 / 392 - 1112	1 ساعة	هواء	تقليل الهشاشة، تحسين المتانة

تعتبر المعالجة الحرارية ضرورية لتحسين خصائص فولاذ 3Cr13. يزيد التبريد من الصلابة، بينما يساعد التقسية في تخفيف الهشاشة، مما يؤدي إلى توازن بين الصلابة والمتانة. تؤثر التحولات المعدنية خلال هذه العلاجات بشكل كبير على التركيب الدقيق، مما يساهم في تحسين الأداء في تطبيقات متنوعة.

التطبيقات النموذجية والاستخدامات النهائية

الصناعة/القطاع	مثال على التطبيق المحدد	خصائص الفولاذ الرئيسية المستخدمة في هذا التطبيق	سبب الاختيار (باختصار)
أدوات المطبخ	سكاكين المطبخ	صلابة عالية، مقاومة للاهتراء	احتفاظ ممتاز بالحافة
طبي	الأدوات الجراحية	مقاومة للتآكل، قوة	قابلة للتعقيم ودائمة
سيارات	مكونات المحرك	قوة عالية، مقاومة متوسطة للتآكل	متانة تحت الضغط
أدوات صناعية	أدوات القطع	صلابة عالية، مقاومة للاهتراء	عمر أدوات طويل

• أدوات المطبخ: يتم استخدام 3Cr13 على نطاق واسع في إنتاج سكاكين المطبخ بسبب قدرته على الحفاظ على حافة حادة ومقاومته للاهتراء.
• الأدوات الطبية: تجعل مقاومته للتآكل منه مناسبًا للأدوات الجراحية التي تتطلب التعقيم.
• التطبيقات السيارات: تُستخدم في مكونات المحرك حيث تكون القوة العالية ضرورية.
• الأدوات الصناعية: تُستخدم في أدوات القطع بسبب صلابتها ومقاومتها للاهتراء.

اعتبارات هامة ومعايير الاختيار ورؤى إضافية

الميزة/الخاصية	[فولاذ 3Cr13]	[AISI 420]	[AISI 304]	ملاحظة موجزة عن الإيجابيات/السلبيات أو المقايضة
الخاصية الميكانيكية الرئيسية	صلابة عالية	صلابة متوسطة	لدونة جيدة	يفضل 3Cr13 الصلابة المتفوقة ولكن مع قوة أقل
الجوانب الرئيسية لمقاومة التآكل	متوسطة	متوسطة	متفوقة	3Cr13 أقل مقاومة للتآكل من 304
قابلية اللحام	متوسطة	جيدة	ممتازة	يتطلب 3Cr13 ممارسات لحام دقيقة
قابلية التشغيل	متوسطة	جيدة	ممتازة	يعتبر 3Cr13 أقل قابلية للتشغيل من الفولاذات الحرة التشغيل
قابلية التشكيل	محدودة	متوسطة	جيدة	3Cr13 أقل قابلية للتشكيل بسبب الصلابة العالية
التكلفة تقريبًا	متوسطة	متوسطة	أعلى	يعتبر 3Cr13 اقتصاديًا للتطبيقات عالية الأداء
التوافر النموذجي	شائع	شائع	شائع جدًا	يتوفر 3Cr13 على نطاق واسع في أشكال متنوعة

عند اختيار فولاذ 3Cr13 لتطبيقات معينة، تعتبر اعتبارات مثل التكلفة والفعالية والتوافر والأداء تحت ظروف محددة أمرًا حيويًا. بينما يقدم صلابة ومقاومة للاهتراء ممتازتين، يجب أن يُؤخذ في الاعتبار القيود المتعلقة بقوته ومقاومته للتآكل مقارنةً بمتطلبات التطبيق المقصود. بالإضافة إلى ذلك، يجب تقييم أدائه في اللحام والتشغيل بعناية لضمان تصنيع ناجح وفعالية في الاستخدام النهائي.